CC BY
136УДК620.278
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
_В ПРОЦЕССАХ БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД_
Латышев О.Г. - доктор технических наук, профессор кафедры шахтного строительства, Уральский государственный горный университет, dozlat1@rambler.ru
Казак О. О. - кандидат технических наук, доцент кафедры шахтного строительства, Уральский государственный горный университет
Аннотация: Буровзрывные работы являются определяющим элементом горной технологии. Представленная работа направлена на исследование эффективности использования поверхностно-активных веществ (ПАВ) в процессах бурения, что определяет ее актуальность.
Цель работы: прогноз эффективности бурения шпуров и скважин с промывкой растворами ПАВ.
Методология исследования: лабораторные и опытно-промышленные испытания, фрактальный анализ закономерностей действия ПАВ на свойства и состояние горных пород, статистический анализ результатов.
Результаты: Действие ПАВ основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел - эффект Ребиндера. Одной из особенностей эффекта является избирательность действия ПАВ, требующая тщательного выбора активных растворов в их оптимальной концентрации для конкретных горно-геологических условий. В работе предлагается методика выбора растворов ПАВ, основанная на фрактальных исследованиях временной функции изменения контактной прочности пород по мере действия активной среды. В результате аналитических и экспериментальных исследований, а также опытно-промышленных испытаний бурения шпуров с промывкой растворами ПАВ установлено следующее. Эффективность бурения определяется сложным взаимодействием и взаимообусловленностью параметров технологии и комплекса свойств разрушаемых пород. Безразмерная комбинация указанных характеристик определяет формулу критерия эффективности. Величина критерия линейно связана со скоростью бурения и может служить косвенной оценкой производительности процесса. Использование ПАВ позволяет увеличить скорость механического бурения различных пород в 1,2...1,5 раза. Важно, что эффект возрастает с увеличением крепости буримых пород. За счет снижения абразивности горных пород в поверхностно-активной среде значительно (в 1,2...1,6 раза) снижается износ и затупление бурового инструмента. Адсорбционная активность ПАВ способствует уменьшению запыленности шахтной атмосферы в 1,6...3,7 раза за счет уменьшения выхода тонких фракций продуктов бурения и подавления уже образовавшейся пыли. Бурение шпуров с промывкой растворами ПАВ благоприятно сказывается на эффективности последующих взрывных работ.
Выводы: Бурение шпуров и скважин с промывкой специально подобранными растворами ПАВ существенно повышает эффективность процесса с точки зрения повышения скорости бурения, снижения износа и затупления бурового инструмента, уменьшения запыленности шахтной атмосферы.
Ключевые слова: бурение шпуров и скважин, поверхностно-активные вещества, прогноз эффективности.
Введение.
азработка скальных пород осуществляется преимущественно с помощью буровзрывных работ (БВР). С точки зрения трудоемкости реализации наиболее значимым является процесс бурения шпуров и скважин. Перспективным средством повышения
эффективности бурения является использование в качестве промывочной жидкости специально подобранных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) [1].
Поверхностно-активными называют вещества, положительно адсорбирующиеся на поверхности раздела фаз.
Их действие основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел - эффекте Ребиндера [2]. В работах П.А. Ре-биндера и его учеников [3, 4] показана связь адсорбционных процессов с механическими свойствами твердых тел. Так, в соответствии с теорией А. Гриффитса [5], снижение удельной поверхностной энергии тел приводит к уменьшению прочности тел и развитию трещин, в частности, в горных породах. Инициируемый ПАВ процесс трещинообра-зования существенно меняет саму структуру горной породы, а это неизбежно сказывается на величине практически всех ее свойств [6]. Наши исследования показывают [1, 7], что действие поверхностно-активной среды сопровождается снижением прочности скальных пород от 30 до 70 %, уменьшением модуля и предела упругости в среднем в 1,3...1,5 раза. Это дает возможность использовать ПАВ для повышения эффективности всех процессов горной технологии, связанных с разрушением горных пород.
Наибольший эффект следует ожидать при использовании ПАВ в процессах бурения. Это обусловлено тем, что активные молекулы вместе с промывочной жидкостью непосредственно доставляются на контакт породы с буровым инструментом, что исключает необходимость предварительного нагнетания растворов ПАВ в породный массив. Проникая в трещины зоны предраз-рушения под буровым снарядом, активный раствор ослабляет разрушаемый массив на значительную глубину [8]. Действительно, промывочная вода не способна передвигаться в мелких (капиллярных) трещинах, образуя мениск. А адсорбирующиеся молекулы ПАВ за счет двумерной миграции проникают в трещины до тех пор, пока их размеры не превысят величину раскрытия устья трещины. При этом за счет движущей силы адсорбции такие молекулы создают дополнительное давление в устье трещин, способствуя их развитию. Взаимодействие атомов в устье трещин во многом определяет динамику их роста [9, 10]. Наиболее общие закономерности роста трещин в упругих телах рассмотрены в работе [11]. Эти закономерности лежат в основе количественной оценки прочности горных пород [12].
Первые попытки использовать данные эффекты при бурении геологоразведочных и добычных скважин [13] выявили эффект избирательности действия ПАВ. Он заключается в том, что ощутимое разупрочняющее действие может обеспечить только родственное данной породе поверхностно-активное вещество в его оптимальной концентрации. Поэтому при бурении скважин в свите пластов, обладающих разным минеральным составом, каждому из них должен соответствовать свой оптимальный раствор ПАВ, но смена состава промывочной жидкости при бурении единичной скважины в этом случае явно не технологично. Дело значительно упрощается при бурении шпуров и скважин в однородном блоке пород или проходке выработки по конкретному пласту пород.
Таким образом, необходимой задачей является определение для данной породы эффективного раствора ПАВ в его оптимальной концентрации. Однако несмотря на почти столетний период исследований, надежного теоретического инструмента выбора оптимального ПАВ не создано. Поэтому господствует эмпирический подход и в обозримом будущем изменения ситуации не предвидится. Классическим инструментом оценки эффективности ПАВ служит из отерма адсорбции [4]. Другие способы основаны на оценке снижения в ПАВ удельной поверхностной энергии пород путем растяжения полуплоскости или пластины с трещиной, раскалывание диска с трещиной, изгиб балки с трещиной, измерение скорости роста трещины [1]. Однако сложность организации подобных опытов при необходимости исследования большой номенклатуры ПАВ в ступенчато изменяемой концентрации растворов делают такой подход в практическом плане малоконструктивным.
Результаты исследований. Эффективность действия ПАВ зависит не только от химического состава горных пород и активных молекул, но и в значительной мере от условий нагружения пород в рассматриваем о м процессе [14]. Поэтому наиболее надежным способом выбора ПАВ была бы оценка их эффективности в конкретном процессе горной технологии. Однако на практике это практически нереализуемо.
Тогда в качестве критерия выбора ПАВ целесообразно исследовать те свойства пород, которые определяют их разрушае-мость в данном процессе. Применительно к процессам бурения наиболее информативным является показатель контактной прочности пород [1, 7], определяемый путем внедрения штампа в поверхность породы. Причем методика определения данного показателя может быть реализована не только в лабораторных, но и в производственных условиях [15].
Организация опытов заключается в измерении контактной прочности пород по мере увеличения времени их контакта с активным раствором. Анализ результатов выполненных нами исследований различных скальных пород и растворов ПАВ показал следующее. Динамика изменения контактной прочности Рк во времени I носит циклически затухающий характер. Это обусловлено сложным механизмом взаимодействия активного раствора с образующимися под штампом трещинами [1]. В качестве примера на рис. 1 показаны графики относительного снижения контактной прочности известняков (Урал) во времени для различных концентраций раствора MgCl2.
О 5 10 15 20 25 30
Рис. 1. Временные ряды контактной прочности известняка при различной концентрации раствора ПАВ
Характеристики описанного процесса определяются влиянием множества независимых случайных факторов, формирующих состав и строение горной породы. Поэтому динамику изменения контактной прочности следует рассматривать как стохастический временной ряд. Тогда задачей исследования
является разработка методики анализа таких рядов и обоснование критерия эффективности использования ПАВ в процессах бурения. Классический анализ таких рядов как случайной функции показал, что они обладают свойством эргодичности и могут описываться математическим ожиданием и дисперсией ее сечений, эмпирическим корреля-ци о н ным моментом и корреляционной функцией. Однако для выбора и оценки эффективности действия ПАВ необходима выработка некоторого единичного количественного показателя.
Временные ряды, как правило, являются с а моа ффинными и в зависимости от масштаба могут характеризоваться различными фрактальными размерностями [16]. Самоаффинный фрактал на плоскости х, у определяется некоторой однородной функцией Дх,у), которую можно привести к виду Дгх^у), где Н - показатель Гёльдера. Здесь множитель г определяет изменение масштаба по оси х, а гН - по оси у. Если график ряда данных не имеет закономерных тенденций изменения (тренда), то по аналогии с броуновским движением его называют броуновским шумом со среднеквадратическим отклонением: S(t) ~ Если изменения
(блуждания точки) неслучайны и подчиняются закону: S(t) ~ ^, где Н Ф /, то такое среднеквадратическое отклонение Б. Ман-дельброт [17] назвал фрактальным броуновским движением. Показатель Н определяет фрактальную размерность ряда: df = 2 - Н. Такая размерность характеризует изломанность линии тренда, т.е. долю случайной составляющей. Поэтому прогностической функцией она не обладает, поскольку не дает информации о тенденции изменения исследуемого показателя во времени. Для этого следует вводить дополнительные меры.
Сложность пространственных временных рядов данных как объекта исследования определяет различие в методах оценки их свойств. Одним из таких методов является метод нормированного размаха, основанный на законе Хёрста [18]. Гидролог Гарольд Хёрст, проводил многолетние исследования сезонных и годовых колебаний водных стоков рек и, в частности, реки Нил.
Помимо стока рек Хёрст исследовал процессы отложения ила и рост колец деревьев. При этом, чтобы можно было сравнивать данные для разных явлений, он использовал безразмерное соотношение R/S, где R -размах ряда:
R(t) = max X(t, т) - min X(t, т); (1) здесь S - стандартное отклонение, т.е. корень квадратный из дисперсии:
S = t [ *(0- < xT>)2,
(2)
где Т = т - период наблюдений (длина ряда); х(Х) - составляющие ряда и <хт> - их среднее значение за период наблюдения т.
На основании большого числа наблюдений и статистического моделирования Хёрст обнаружил эмпирическую закономерность:
R
(3)
названную впоследствии законом Хёрста, а константу Н - показателем Хёрста. Показатель Хёрста совпадает с показателем Гёльде-ра для фрактального броуновского шума и поэтому имеет одинаковое обозначение Н.
Закону Хёрста подчиняется много реальных природных явлений, протекающих во времени. При Н = 0,5 имеет место некоррелированный броуновский шум, т.е. временной ряд не имеет преобладающей тенденции. При Н > 0,5 процесс, характеризуемый временным рядом, называют персистент-ным, т.е. устойчивым к имеющейся тенденции. Это означает, что если функция f(t) возрастала, то и в дальнейшем наиболее вероятен ее рост. Если функция уменьшалась, то следует ожидать и дальнейшего ее снижения. При H < 0,5 процесс называют анти-персистентным, что подразумевает смену знака тенденции.
Показатель Хёрста можно определить по наклону графика R/S = f(t), построенного в двойных логарифмических координатах:
ln(R/S) = Hln(T/2). (4)
Составляющие вышеприведенных соотношений обычно относятся ко всему временному ряду. Иногда определения производят по его отдельным участкам, выделенным по каким-либо специальным признакам или статистическим критериям.
Выполним анализ временных рядов, представленных на рис. 1. Классический тренд-анализ показал наличие закономерной составляющей рядов с надежностью более 99 %. Задачей данных исследований является выбор наиболее эффективной концентрации ПАВ и его эффективность, т.е. степень разупрочнения горных пород. Чисто визуальный анализ графиков такой информации не дает в силу большой вариации значений контактной прочности пород. Поэтому для получения дополнительной информации использован метод нормированного размаха. Для этого опытные точки графиков (рис. 1) были представлены в логарифмических координатах, соответствующих уравнению (4). На рис. 2 для наглядности показаны точки, соответствующие концентрации раствора 0,1 и 0,01 %. На рис. 3 показано изменение величины показателя Хёрста по времени контакта ПАВ с горной породой для тех же условий.
Рис. 2. Графики уравнения (4)
Рис. 3. Изменение контактной прочности известняков в растворе MgCl2
H
Из графиков на рис. 2 видно, что для раствора MgCl2 в концентрации 0,01 % соответствие закону Хёрста наблюдается во всем диапазоне изменения контактной прочности, что свидетельствует об устойчивости временного ряда. Для концентрации 0,1 % это соответствие наблюдается лишь в начальной стадии воздействия ПАВ, соответствующей первой полуволне графиков на рис. 1. В соответствии с характером закона Хёрста при Н = 0,5 имеет место некоррелированный броуновский шум, т. е. временной ряд не имеет преобладающей тенденции.
При Н > 0,5 процесс, характеризуемый временным рядом, является устойчивым к имеющейся тенденции (персистентным). Так, для раствора MgCl2 0,01 % значение Н во всем диапазоне больше 0,5. Напротив, для концентрации 0,1 % при действии ПАВ более 20 мин показатель Н становится меньше 0,5, и этот участок тренда следует исключать из дальнейшего рассмотрения.
С формальных позиций для известняков наиболее эффективным раствором будет MgCl2 в концентрации 0,01 %, обеспечивающий снижение контактной прочности в среднем на 50 %. Однако при этом следует учитывать вероятностный характер самого показателя контактной прочности. Для изученных пород нами установлено, что средний коэффициент вариации показателя (естественный разброс данных) составляет порядка 10 %. Следовательно, в интервале изменчивости + 10 % значения Рк будут статистически неразличимы. Для известняка (рис. 1) в этот интервал попадают значения контактной прочности в минимуме первой полуволны графиков для концентрации 0,01 и 0,005 %. Этот интервал концентрации и следует признать оптимальным.
Для проектирования процессов разрушения горных пород требуется оценить конкретную величину контактной прочности пород, обработанных соответствующим раствором. Выполненный нами анализ различных пород и поверхностно-активных веществ показал, что достаточно надежно (в пределах естественной вариации контактной прочности) первую полуволну графиков функции Рк = f можно описать уравнением параболы в виде:
Р() = А1-Г2 + А^ + Аз. (5)
Максимальное снижение контактной прочности (экстремум графика) определится выражением:
Рк = (4 А1Аз - А22)/4-А1. (6)
График изменения контактной прочности для вышеописанных известняков в растворах MgCl2 в интервале концентраций 0,01...0,005 % приведен на рис. 3. Уравнение зависимости определяется способом «наименьших квадратов» по опытным данным.
Параметры уравнения: А1 = 0,035; А2 = - 0,6; А3 = 5,6. В соответствии с формулой (6) действие ПАВ приводит к снижению контактной прочности известняков с 5,6 ГПа до 3,0 ГПа.
Таким образом, фрактальный анализ временных рядов позволяет получать дополнительную (по сравнению с классическим анализом случайных функций) информацию о закономерностях протекания различных процессов во времени. Описанные выше процедуры могут оказаться полезными для таких процессов как фильтрация в породный массив различных растворов [1].
На основании всестороннего изучения физики бурения, статистического моделирования процессов и методологических основ прогноза, изложенных в работе [7], для оценки эффективности использования ПАВ разработаны и апробированы соответствующие критерии [19], которые учитывают сложное взаимодействие параметров техники и технологии бурения и комплекса свойств горных пород и представляют собой безразмерные комбинации данных показателей. В частности, для перфораторного бурения такой критерий эффективности имеет вид:
Р Ед(1 + V)Г п<2 п2
К б = 1 п
Чг
к..
2 п 2
с12 Р
(7)
где п, Q - частота и энергия ударов; d - диаметр шпуров; р - объемная масса горных пород; Ед и V - динамические модуль упругости и коэффициент Пуассона; Рк -контактная прочность; ^ - коэффициент неоднородности горных пород, определяемый характеристиками трещиноватости пород.
Здесь qi = 10б - множитель, полученный из условия нормирования критерия эффективности в интервале значений от 0 до 15.
Предложенные критерии позволяют априори оценить эффективности использования ПАВ путем исследования влияния активных растворов на свойства горных пород при заданных параметрах технологии бурения, входящих в формулу критерия (7). Для проверки вышеизложенных соотношений были проведены опытно-промышленные испытания перфораторного бурения шпуров в условиях проходки различных выработок Североуральских бокситовых рудников (СУБР) и Горловского региона Донбасса. Результаты показали, что использование в качестве промывочной жидкости оптимально подобранных растворов ПАВ существенно повышает скорость механического бурения в 1,16...1,52 раза. Причем эффект использования ПАВ тем выше, чем больше крепость буримых пород.
Сопоставление скорости бурения в условиях различных забоев с величиной критерия эффективности (7) показывает их хорошее соответствие (рис. 4).
25
о 20
15
ю
л 10
н
и
о
о.
£ 5
о
о
о . о о •
О
4 6 8 10 12
Критерий
I оВода «ПАВ I
Рис. 4. Взаимосвязь скорости бурения шпуров и критерия эффективности
Уравнение связи:
V = 1,6 Кб (8)
с коэффициентом корреляции г = 0,88. Коэффициент вариации опытных значений скорости бурения от полученных по уравнению (8) составляет Квар = 25,7 %. Такая погрешность соответствует вариации свойств горных пород в единичных определениях.
Это позволяет считать найденное уравнение (8) вполне приемлемым для практического прогноза эффективности использования поверхностно-активных веществ в процессах бурения.
Помимо повышения скорости бурения использование ПАВ дает ряд побочных, но не менее важных эффектов. Так, исследованиями Дж. Вестбрука [20] установлено, что активно воздействуя на ионные и ковалент-ные кристаллы, поверхностно-активные вещества не ухудшают свойств металла, а напротив, значительное снижение в ПАВ абразивности и твердости пород способно уменьшить расход бурового инструмента. Определение абразивности скальных пород Урала по методике Л.И. Барона [21] показало, что при контакте с поверхностно-активной средой износ эталонного материала (стали-серебрянки У8А) снижается в 1,2...1,6 раза. Для оценки износа и затупления буровых коронок в реальных условиях проведено опытное бурение порфиритов при проходке вскрывающего квершлага СУБРа [22]. Средняя потеря массы бурового инструмента при бурении с промывкой водой составляет 1,68 г или в расчете на 1 м шпура - 210 мг/м. Эти же значения при промывке раствором ПАВ составляют 1,21 г и 151 мг/м. Следовательно, потеря массы коронок при использовании ПАВ уменьшилась в 1,4 раза. Опыт перфораторного бурения показывает, что потеря массы инструмента обусловлена не только линейным износом его рабочей части, но и в значительной мере истиранием коронки по диаметру за счет ее возвратно-поступательного движения по шпуру. Действительно, определение линейных размеров коронок до и после бурения в данном эксперименте показало, что при бурении с промывкой водой их высота в среднем уменьшилась на 0,17 мм, а с промывкой раствором ПАВ - на 0,03 мм, т.е. снижение линейного износа в 5,7 раза.
Использование поверхностно-активных веществ при бурении дает санитарно-гигиенический эффект, способствуя уменьшению запыленности шахтной атмосферы. Основной объем пыли образуется за счет раз р у ш ения ядра уплотнения под буровым инструментом [23]. Разупрочнение пород в ПАВ способствует уменьшению объема
этого ядра. Кроме того, уменьшение поверхностного натяжения воды с введением в нее ПАВ улучшает условия смачивания пыли. За счет этого частицы уже образовавшейся пыли слипаются в рыхлые агрегаты и выпадают из рудничной атмосферы. При проведении вышеописанных опытно-промышленных испытаний лабораториями ВГСЧ по стандартной методике производились замеры запыленности воздуха в забоях. Результаты показали, что адсорбционная активность молекул ПАВ, а также улучшение условий бурения шпуров снижают запыленность рудничной атмосферы в 1,6...3,7 раза.
Выводы. Таким образом, бурение шпуров и скважин с промывкой специально подобранными растворами ПАВ существенно повышает эффективность процесса. Следует отметить, что разупрочнение и пластифицирование пород поверхностно-активными веществами способно активизировать любые процессы, связанные с разрушением горных пород. В частности, снизить удельный расход взрывчатых веществ при взрывной отбойке. Исследование кинетики фильтрации растворов ПАВ в породный массив [24] показало, что за счет двумерной миграции активных молекул уже за время бурения и заряжания шпуров активные растворы насыщают породный массив не менее, чем на половину его максимальной поглощающей способности. Это означает, что даже без специального нагнетания растворов ПАВ рекомендуемая технология бурения оказывает положительное влияние на процесс разрушения пород взрывом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Латышев О.Г., Корнилков М.В. Направленное изменение фрактальных характеристик, свойств и состояния пород поверхностно-активными веществами в процессах горного производства. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2016. 407 с.
2. Горюнов Ю.В., Перцов Н.В., Сумм Б.Д. Эффект Ребиндера. М.: Наука, 1966. 128 с.
3. Лихтман В.И., Ребиндер П.А., Карпенко Г.В. Влияние поверхностно-активной среды на процессы деформирования металлов. М.: Изд. АН СССР, 1954. 208 с.
4. Щукин Е.Д. Понижение поверхностной энергии и изменение механических свойств твердых тел под влиянием окружающей среды // Физ.-хим. механика материалов. 1976. Т. 2. С. 3-20.
5. Griffith A.A. The theory of rupture. Proc. Ict. Int. Congr. Appl. Mech. Delft, 1924, Р. 55-63.
6. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Кн. дом «ЛИБЕРКОМ», 2010. 360 с.
7. Латышев О.Г. Разрушение горных пород. М.: Теплотехник, 2007. 672 с.
8. Шрейнер Л.А. Физические основы механики горных пород. М.-Л.: Гостопте-хизд ат, 1950. 246 с.
9. Fuller E.R., Lawn B.R., Thomson R.M. Atomic modeling of chemical interactions at crack tips // Acta Metallurgica, 1980. Vol. 28. Р. 1407-1414.
10. Lawn B.R. An atomistic model of kinetic crock growth in brittle solids / Journal of materials science. 1975. Vol. 10. Р. 469-480.
11. Hoek E., Bieniawski Z.T. Fracture propagation mechanism in hard rock, First congress of the ISRM, 3-2. Lisboa, 1966.
12. Weibull W.A. Statistical theory of strength of materials // Ind. Vetenskamps Akad, 1939, Handl. № 151. 45 p.
13. Ребиндер П.А., Шрейнер Л.А., Жигач К.Д. Понизители твердости в бурении. М., Л.: АН СССР, 1944. 199 с.
14. Чувствительность механических свойств к действию среды. Пер. с англ. - М.: Мир, 1969. 352 с.
15. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Контактная прочность горных пород. М.: Недра, 1966. 168 с.
16. Кроновер Р. Фракталы и хаос в динамических системах. Пер. с англ. М.: Техносфера, 2006. 488 с.
17. Mandelbrot B. The Fractals Geometry of Nature. San Francisco: Freeman, 1982. 460 p.
18. Hurst A.A., Black R.P., Simaika Y.M. Long-Term Storage: An Experimental Study. London: Costable, 1965. 232 р.
19. Латышев О.Г., Карасев К.А., Казак О.О. Прогноз буримости горных пород на основе имитационного моделирования процесса // Известия вузов. Горный журнал. 2015. №4. С. 83-87.
20. Вестбрук Дж. Действие адсорбированной воды на пластическую деформацию неметаллических твердых тел // Чувствительность механических свойств к действию среды / Избранные доклады на международном симпозиуме. М.: Мир, 1969. С. 257-273.
21. Барон Л.И., Кузнецов А.В. Абразив-ность горных пород при добывании. М.: Изд. АН СССР, 1961.168 с.
22. Латышев О.Г., Карасев К.А., Казак О.О. Снижение износа и затупления бурового инструмента при бурении шпуров с промывкой растворами поверхностно-активных веществ // Известия вузов. Горный журнал. 2015. №3. С. 75-79.
23. Протасов Ю.И. Пылевыделение при разрушении горных пород // Известия вузов. Горный журнал. 1993. №1. С.51-53.
24. Латышев О.Г., Сынбулатов В.В., Осипов И.С. Кинетика насыщения породного массива растворами поверхностно-активных веществ при бурении шпуров и скважин // Известия вузов. Горный журнал. 2008. № 3. С.123-129.
REFERENCES
1. Latyshev O.G., Kornilkov M.V. Naprav-lennoe izmenenie fraktal'nyh harakte-ristik, svojstv i sostoyaniya porod poverhnostno-aktivnymi veshchestvami v processah gornogo proizvodstva. Ekaterinburg: Izd-vo UGGU, 2016. 407 s.
2. Goryunov Yu.V., Percov N.V., Summ B.D. Ehffekt Rebindera. M.: Nauka, 1966. 128 s.
3. Lihtman V.I., Rebinder P.A., Karpenko G.V. Vliyanie poverhnostno-aktivnoj sredy na processy deformirovaniya metallov. M.: Izd. AN SSSR, 1954. 208 s.
4. Shchukin E.D. Ponizhenie poverhnostnoj ehnergii i izmenenie mekhanicheskih svojstv tverdyh tel pod vliyaniem okruzhayushchej sredy. // Fiz.-him. mekhanika materialov. 1976. T. 2. S. 3-20.
5. Griffith A.A. The theory of rupture. Proc. Ict. Int. Congr. Appl. Mech. Delft, 1924, R. 55-63.
6. Rzhevskij V.V., Novik G.Ya. Osnovy fiziki gornyh porod. M.: Kn. dom «LIBERKOM», 2010. 360 s.
7. Latyshev O.G. Razrushenie gornyh porod. M.: Teplotekhnik, 2007. 672 s.
8. Shrejner L.A. Fizicheskie osnovy mek-haniki gornyh porod. M.-L.: Gostoptekhiz-dat, 1950. 246 s.
9. Fuller E.R., Lawn B.R., Thomson R.M. Atomic modeling of chemical interactions at crack tips // Acta Metallurgica, 1980. Vol. 28. R. 1407-1414.
10. Lawn B.R. An atomistic model of kinetic crock growth in brittle solids / Journal of materials science. 1975. Vol. 10. R. 469-480.
11. Hoek E., Bieniawski Z.T. Fracture propagation mechanism in hard rock, First congress of the ISRM, 3-2. Lisboa, 1966.
12. Weibull W.A. Statistical theory of strength of materials // Ind. Vetenskamps Akad, 1939, Handl. № 151. 45 p.
13. Rebinder P.A., Shrejner L.A., Zhigach K.D. Poniziteli tverdosti v burenii. M., L.: AN SSSR, 1944. 199 s.
14. Chuvstvitel'nost' mekhanicheskih svojstv k dejstviyu sredy. Per. s angl. - M.: Mir, 1969. 352 s.
15. Baron L.I., Glatman L.B. Kontaktnaya prochnost' gornyh porod. M.: Nedra, 1966. 168 s.
16. Kronover R. Fraktaly i haos v dinamich-eskih sistemah. Per. s angl. M.: Tekhno-sfera, 2006. 488 s.
17. Mandelbrot B. The Fractals Geometry of Nature. San Francisco: Freeman, 1982. 460 p.
18. Hurst A.A., Black R.P., Simaika Y.M. Long-Term Storage: An Experimental Study. London: Costable, 1965. 232 r.
19. Latyshev O.G., Karasev K.A., Kazak O.O . Prognoz burimosti gornyh porod na osnove imitacionnogo modelirovaniya processa // Izvestiya vuzov. Gornyj zhurnal. 2015. №4. S. 83-87.
20. Vestbruk Dzh. Dejstvie adsorbirovannoj vody na plasticheskuyu deformaciyu nemetalli-cheskih tverdyh tel // Chuvstvitel'nost' mek-hanicheskih svojstv k dejstviyu sre-dy / Izbran-nye doklady na mezhdunarodnom simpoziume. M.: Mir, 1969. S. 257-273.
21. Baron L.I., Kuznecov A.V. Abrazivnost' gornyh porod pri dobyvanii. M.: Izd. AN SSSR, 1961.168 s.
22. Latyshev O.G., Karasev K.A., Kazak O.O. Snizhenie iznosa i zatupleniya burovogo instrumenta pri burenii shpurov s promyvkoj rastvorami poverhnostno-aktivnyh veshchestv //
Izvestiya vuzov. Gornyj zhurnal. 2015. №3. S. 75-79.
23. Protasov Yu.I. Pylevydelenie pri razrushenii gornyh porod // Izvestiya vu-zov. Gornyj zhurnal. 1993. №1. S.51-53.
24. Latyshev O.G., Synbulatov V.V., Osi-pov I.S. Kinetika nasyshcheniya porodnogo massiva rastvorami poverhnostno-aktivnyh veshchestv pri burenii shpurov i skvazhin // Izvestiya vuzov. Gornyj zhurnal. 2008. № 3. S.123-129.
THE USE OF SURFACE-ACTIVE SUBSTANCES IN THE PROCESS OF
DRILLING ROCKS
Latyshev O. G, Kazak O. O.
Annotation: drilling and blasting operations are a critical element of mining technology. The present work is aimed at studying the efficiency of the use of surface-active substances (surfactants) in the drilling process, which makes it important.
The purpose - of the work is the forecast of the efficiency of drilling of bore-holes and wells by washing with solutions of surfactants.
Research methodology: laboratory and experimental-industrial tests the fractal analysis of the patterns of action of surfactants on the properties and condition of the mining rock, statistical analysis of the results.
Results. The action of surfactants is based on the adsorption lowering of the surface-energy of bodies - Rebinder effect. One feature of the effect is the election of the action of surfactants requiring a careful selection of active solutions in their optimal concentration for specific of surfactants, based on fractal research of the function of time change of the contact strength of rocks under the action of the active medium. As a result of analytical and experimental research and pilot testing of drilling with flushing solutions of SAA the following results were obtained. Drilling efficiency is determined by a complex interaction and inter-dependence of the technology parameters and properties of destructible rocks. Non-dimensional combination of these characteristics determines the formula of the criterion of efficiency. Criterion value has a linear relationship with the speed of drilling and can serve as an indirect process performance evaluation. The use of surfactants allows to increase the speed of the mechanical drilling of various species in by 1,2...1,5 times. It is important that the effect increases with the strength of drill breeds. By reducing the abrasiveness of the mountain of rocks in surface-active environment wear and blunting of the drilling tool reduces considerably (1,2...1,6 fold). Adsorption activity of the surfactant contributes to the reduction of dust in the mine (1,6...3,7) times by reducing the output of fine fractions of drilling products and the suppression of the already formed dust. Drilling holes with flushing with solutions of surfactants is beneficial to the efficiency of the subsequent explosion works.
Conclusions. Drilling of bore-holes and wells with the washing of specially selected solutions of surfactants significantly increases the efficiency of the process from the point of view of increasing drilling speed, reducing wear and blunting of the drilling tool, reducing the dusting in the mine.
Key words: drilling of bore-holes and wells, surface-active substance-VA, the prediction of effectiveness.
© Латышев О.Г., Казак О.О., 2018
Латышев О.Г., Казак О.О. Использование поверхностно-активных веществ в процессах бурения горных пород //Вектор ГеоНаук. 2018. Т.1. №2. С. 29-37.
Latyshev O.G., Kazak O.O., 2018. The use of surface-active substances in the process of drilling rocks. Vector of Geosciences. 1(2): 29-37.
